电压门控离子通道结构生物学研究进展

离子通道介导离子的跨膜运转,在生物体内的物质交换、能量传递和信号传导过程中发挥关键作用。近年来,离子通道结构生物学研究极大地推动了人们对离子通道的离子选择性和门控机制的认识。电压门控钾通道结构生物学研究阐明了钾离子选择性的结构基础和电压门控机制;电压门控钠通道结构生物学研究揭示了钠通道的慢失活和快失活机制;瞬时受体电位通道结构生物学研究提供了瞬时受体电位通道复杂多样的结构和配体门控机制。本文总结了近年来离子通道结构生物学的研究进展,并展望了未来离子通道结构生物学的发展。

结构生物学研究热点

以蛋白质为代表的生物大分子是生命体内各种生理功能的主要执行者,而蛋白质的功能通常由其三维结构决定。因此,解析生物大分子的三维结构对理解其功能,进而理解其参与生命过程的机制,最终实现对生命过程的有效调控有着非常重要的意义。结构生物学是生物物理学的一个重要分支。该学科主要应用物理学的思想与研究方式,采用X射线晶体衍射、核磁共振、冷冻电镜成像等技术,精确解析蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构及生物大分子之间的相互作用机制,在原子层面上获得对生命过程机制的深入认识。

单颗粒冷冻电镜揭开G蛋白偶联受体结构生物学研究的新篇章

G蛋白偶联受体(GPCR)是生物体内一类庞大而又多样的细胞膜蛋白。GPCR可以应细胞外信号发生构象变化,进而结合不同效应蛋白激活下游多种信号转导通路,调控众多生命活动过程,参与几乎所有病理过程的发生和发展。近年来,冷冻电镜技术在研究生物大分子结构方面取得了突飞猛进的发展,基于冷冻电镜的GPCR信号转导复合物的高分辨率三维结构不断出现。本文阐述了GPCR和G蛋白复合物相互作用的共性结构特征——受体第六个跨膜螺旋的构象变化,也展示了GPCR识别不同G蛋白亚型选择性的结构基础。单颗粒冷冻电镜提供了更加高效地鉴定受体与配体相互作用分子机制的方法,为GPCR信号通路的机制研究以及基于结构的药物理性设计提供了重要信息。

AQP水通道的结构生物学研究进展

水通道(AQP)广泛存在于原核和真核生物中,主要负责水分子的跨膜运输,具有重要的生理功能。其家族成员大都是四聚体,每个单体都具有独立的孔区,可以允许水分子通过。利用X射线晶体学,电子晶体学和单颗粒冷冻电镜等方法,至今已经解析了70余个水通道的结构;基于这些高分辨结构,已有较多的研究探讨其快速转运水分子的机制,探究其在转运水的同时又阻止质子的通透的原因;然而水通道四聚体中心孔区的作用一直存在争议。另一方面,水通道单体及四聚体形式的结构功能研究较多,而对其形成更高聚合状态的探讨相对较少。本文重点聚焦于水通道四聚体中心孔区及其形成更高级空间结构的最新研究,希望从一个新的角度探讨水通道的结构生物学研究进展。

人丙肝病毒的结构生物学研究进展

丙型肝炎在全球范围内继续传播,每年增加300万新感染病例。丙型肝炎病毒(Hepatitis virus, HCV)属于黄病毒科肝炎病毒属的病毒,被认为是肝硬化和肝细胞癌的主要病因。HCV具有单个正链RNA基因组,其编码由大约3 000个氨基酸组成的多聚蛋白前体。该蛋白在多个位点被切割生成结构蛋白和非结构蛋白。过去几年中,在阐明HCV蛋白质的结构方面取得了很大进展,其中大部分蛋白质可作为抗病毒靶标进行研究。但是,HCV蛋白在病毒生命周期期间执行多种功能,且这些功能可以通过不同的结构构象和/或与病毒和/或细胞蛋白的相互作用进行调节。本文总结了近几年在HCV结构生物学领域的现有知识并介绍该领域的最新进展。

绿硫细菌光合反应中心复合体的原子结构

绿硫细菌是一类厌氧光合细菌,能够利用光能以硫化物为电子供体进行非产氧光合作用。绿硫细菌的光反应系统由捕光天线绿小体、能量传递体FMO蛋白和反应中心三部分构成。文章主要介绍用冷冻电镜解析的绿硫细菌FMO蛋白反应中心复合体的原子结构、基于结构推测的复合体内部的能量传递机制和它们对早期光反应中心进化的启示。

超声遗传学技术中的机械敏感性离子通道

超声遗传学技术是一种非侵入性神经调控手段。机械敏感性离子通道可以被低强度的超声激活而开放,达到调节可兴奋性细胞活性的目的,避免高强度超声对组织器官可能造成的损害。本文着重介绍了大电导机械敏感性离子通道、瞬时受体电位通道、双孔钾通道、Piezo等机械敏感性离子通道在超声神经调控中的研究进展及其应用,以期为超声遗传学研究提供参考。

传染性法氏囊病病毒结构的冷冻电镜初步分析

为研究传染性法氏囊病病毒(infectious bursal disease virus,IBDV)的结构和基因组在其衣壳内部的包装信息,通过IBDV感染DF-1细胞并分离纯化得到完整的IBDV颗粒,利用单颗粒冷冻电镜技术获得了近生理条件下的IBDV在≈6.6?分辨率下的三维结构。结果显示:IBDV病毒衣壳是由260个VP2三聚体蛋白组成的单层衣壳,三角剖分函数T=13;在IBDV衣壳内部观察不到dsRNA基因组和RNA聚合酶的电子密度,这与其他dsRNA病毒如胞质型多角体病毒(cytoplasmic polyhedrosis virus,CPV)、蓝舌病毒(bluetongue virus,BTV)、轮状病毒(rotavirus,RV)明显不同。该结果暗示,IBDV可能采用了与其他dsRNA病毒不同的方式进行基因组组装、转录和复制,这为进一步揭示IBDV基因组的转录、复制和组装的分子机制及IBDV的起源和进化提供了结构学依据。

人源瞬时受体电位M2型通道Nudix水解酶9同源结构域的提取和纯化

目的:摸索人源瞬时受体电位M2型通道(TRPM2)羧基端Nudix水解酶9(NUDT9)同源结构域(NUDT9-H)的蛋白提取和纯化方法。方法:异丙基硫代半乳糖苷诱导表达的Rosetta(DE3)大肠埃希菌菌株经超声破碎和离心后,将收集到的上清液与GST磁珠结合并用还原型谷胱甘肽洗脱以抽提GST-NUDT9-H融合蛋白,浓缩离心后再经分子排阻色谱层析纯化,最后经凝血酶酶切并与GST磁珠结合即得NUDT9-H蛋白。结果:含有0.5%的十二烷基-β-D-麦芽糖苷(DDM)裂解溶液体系和0.025%的DDM分子排阻层析色谱溶液体系能够提高GST-NUDT9-H融合蛋白的稳定性,再按每2 mg融合蛋白加入1 U凝血酶切割24 h,即获得高纯度NUDT9-H蛋白。结论:NUDT9-H蛋白稳定性较差,提取和纯化体系中需添加DDM以稳定其构象从而提高目的蛋白的产量和纯度。